复旦大学微电子半导体器件第五章PN结.docx
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复旦大学微电子半导体器件第五章PN结
第五章结?
平衡态PN结；
?
PN结的伏安特性；
?
PN结的电容；?
PN结的电容；
?
PN结的击穿特性；
?
PN结二极管的开关特性；
?
金-半肖特基接触和欧姆接触；
?
异质结：
半导体器件的基
本结构－PN结、
金半结和异质结金半结和异质结PN结空间电荷区?
由于PN结两边载流子浓度不同造成载流子扩散运动，
载流子扩散的结果在结附近出现了空间电荷区，该区
域内电离施主和受主杂质的浓度远大于载流子浓度，
有电离杂质产生的自建电场，阻止载流子进一步扩散。
?
在空间电荷的区内有载流子的漂移流和扩散流，平衡
情况下净电流为零。
空间电荷区的电场和电势普通物理讲过泊松方程Eρ电场和空间电荷密度之间的关系是：
（）2
2
2
00=?
?
=?
rrV
x
dV
V
dxρ
ρ
ρ
εεεε电势和空间电荷密度分布之间的关系是
：
，（）00=?
=rrE
x
dE
E
dxρ
ρ
ρ
εεεε电
场和空间电荷密度之间的关系是：
，只要知道空间电荷分布
ρ就可以用泊松方程计算电场
和电势分布，还可以计算出势垒高度和宽度。
在耗尽层近似的情况下，空间电荷分布近似等于电离
施主或受主的杂质浓度分布。
平衡PN结能带图?
空间电荷区内部各点不是电中性，但是整个空间电荷
区正负电荷相等；
?
空间电荷区的电场使PN结两边出现电势差；
?
热平衡情况下费米能级保持水平；
?
空间电荷区以外均匀掺杂，是电中性区。
在该区域：
导带、价带和费米能级之间的相对位置保持原样。
导带、价带和费米能级之间的相对位置保持原样。
注意：
P区电子的势能高于N区，空穴的势能正好相反，电势N区高于P。
平衡PN结两边载流子浓度的关系?
?
?
?
?
?
?
=
Tk
qV
ppB
D
pnexp0
0?
?
?
?
?
?
?
=
Tk
qV
nnB
D
npexp0
00expFV
V
BEE
pN
kT
?
?
?
=?
?
?
?
?
0expCF
C
BEE
nN
kT
?
?
?
=?
?
?
?
?
2lnBDA
D
ikTNN
V
qn
=pp0nn0np0pn0XXXp（x）
n（x）耗尽层
耗尽层耗尽层
耗尽层?
?
?
?
?
?
?
=
Tk
EE
nxpB
Fi
iexp
）（0?
?
?
?
?
?
?
=
Tk
xqV
pB
p）
（
exp0平衡
平衡平衡
平衡PN结中载流子浓度分布
结中载流子浓度分布结中载流子浓度分布
结中载流子浓度分布XpXnXσ
σσ
σ
ρ
ρρ
ρXpXnX当
当当
当x=xn时
时时
时V（x）=VD?
?
?
?
?
?
?
=
Tk
qV
ppB
D
pnexp0
0同理
同理同理
同理?
?
?
?
?
?
=
Tk
xqV
nxnB
p）
（
exp）（0
0?
?
?
?
?
?
?
=
Tk
qV
nnB
D
npexp0
0正向电压下的窄势垒模型?
势垒区（空间电荷区）很窄，势垒区两边边界处电子
准费米能级保持水平；
?
势垒区以外的非平衡载流子扩散复合区由于非平衡载
流子复合减少逐步趋于平衡，准费米能级趋向平衡费
米能级。
该区域内非平衡少数载流子准费米能级变化
大而非平衡多数载流子准费米能级变化很小。
大而非平衡多数载流子准费米能级变化很小。
从何入手计算伏安特性?
假设理想情况包括：
低掺杂的突变结、忽略势
垒区复合、外加电压全部加在势垒区、小注入。
?
因为外电压全部加在势垒区，所以选择势垒区
边界计算电流。
?
势垒边界的少子和多子都有扩散流和漂移流，?
势垒边界的少子和多子都有扩散流和漂移流，
非平衡少数载流子的漂移流非常小可以忽略。
?
在忽略势垒区复合的情况下，势垒两边的非平
衡少数载流子的扩散电流相加就是总电流。
载流子流动情况nj漂nj扩
nj扩
（）ppnx?
?
pj扩
pj扩
pj漂（
）nnpx?
外电场注意：
图中j是粒子流密度而不是电流密度势垒两边的少子扩散流密度（）00expf
pppp
BqV
nxnn
kT
?
?
?
?
=?
?
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?
?
（
）00expf
nnnnqV
pxpp
kT
?
?
?
=?
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?
?
?
（
）00expnnnn
Bpxpp
kT
?
=?
?
?
?
?
0exp1f
n
np
nBqV
D
jn
LkT
?
?
?
?
=?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
0exp1pf
pn
pBDqV
jp
LkT
?
?
?
?
=?
?
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?
?
?
?
?
?
电流密度和电压的关系（）（）nppnJJxJx=?
+?
?
?
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?
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?
?
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?
?
?
?
?
?
+=1exp0
0Tk
qV
n
L
D
p
L
D
qB
f
p
n
n
n
p
p低压反向?
上面的结果也适合于低压反向的情况还需要考虑的非理想因素?
小电流：
势垒复合（复合
寿命）
?
大注入：
扩散区电压降（双
极扩散显著引起非平衡载极扩散显著引起非平衡载
流子空间电荷区电压降）
?
大电流密度：
串连电阻
（电中性区压降）
?
反偏压：
势垒区产生（产
生寿命）PN结电容?
外加电压变化对空间电荷区充放电，称为势垒
电容。
对突变结，耗尽层近似（忽略空间电荷区载流子电
荷的贡献）：
（）1/2
02r
TAD
DrADq
dQNN
C
dVVVNN
εε?
?
==
?
?
?
+
?
?
TD
rxε
ε0=?
外加电压变化使扩散区非平衡载流子浓度变化
的过程，称为扩散电容：
DANN
（）1/2
02
?
?
?
=
?
?
?
?
D
D
AVV
x
qNεε2
==Fn
D
D
BqI
dQ
C
dVkTτ势垒宽度PN结雪崩击穿?
强电场下
载流子倍增：
?
对突变结，
击穿电压：
eff
cr
BRN
E
q
V2
02ε
ε=Ec=2~5×
××
×105V/cm隧道击穿?
反向电压使P区价带
和N区导带重叠。
?
量子力学计算发生?
量子力学计算发生
隧道效应的几率?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
=xE
h
m
Pg
n
2/1
2/1
2
*2
3
8
expπ隧道二极管?
PN结两边重掺杂,
以致平衡态能带图
P区价带顶和N区导P区价带顶和N区导
带的重叠。
二极管作为开关应用?
连接示意图PN结二极管的开关特性?
理想的开关在导通的时候开关的两端应该没有
电压差，而断开的时后应该没有电流流过；从
导通到截止或截止到导通的切换应该是和控制
信号同步的；截止时能够承受高电压，导通时信号同步的；截止时能够承受高电压，导通时
要能够承受大电流。
?
二极管有导通和截止两个状态，类似一个开关
作用。
但是它导通的时后两端有电压降，截止
状态还有电流，状态的切换过程有一定的时间
延迟，反向电压高了会击穿，导通电流大了会
烧坏开关过程
开关过程开关过程
开关过程VbeViLViHt
IbIb
1t
pn+正
向少数载流子分布?
?
?
?
Ib2n+pb2反向电流I是储存的非平衡
少数载流子被抽取的过程,
也就是扩散电容的放电过程。
（通常势垒电容的影响相对较小）正
向少数载流子分布反向少数载流子分布二极管的正向压降?
二极管作为开关应用还需要考虑正向电
压。
?
二极管导通状态是大电流工作区，它的?
二极管导通状态是大电流工作区，它的
正向电压包括：
结压降、非平衡载流子
扩散区压降和电中性区体电阻压降。
?
理想结压降为：
0ln1jkTI
V
qI
?
?
=+
?
?
?
?
影响二极管开关特性的因素?
低掺杂区的掺杂浓度高：
截止电流小、小电流
正向阈值电压高而大电流时串联电阻压降小、
击穿电压低、非平衡少子寿命短开关速度快。
?
低掺杂区厚度薄：
大电流时串联电阻小、储存?
低掺杂区厚度薄：
大电流时串联电阻小、储存
电荷少、开关速度快、如果比击穿电压时耗尽
层宽度薄就会降低击穿电压。
?
缩短非平衡载流子寿命：
提高开关速度、增大
截止电流和增大正向压降。
?
增大结面积：
增大工作电流、降低开关速度。
金－半肖特基结?
平衡能带图
（
（（
（Wm>
Ws）
））
）
Wm<
Wsn型
型型
型
p型
型型
型
反阻挡层
反阻挡层反阻挡层
反阻挡层反
反反
反阻挡层
阻挡层阻挡层
阻挡层伏安特性?
电子发射理论：
（）（）*2（）expexp1nsJVATqkTqVkTφ=?
?
?
?
?
?
（
）exp1STJqVkT=?
?
?
?
?
?
没有非平衡载流子，也就没有扩散电容，
所以开关速度快；
?
阈值电压低；
?
反向漏电流大，击穿电压低。
A*=120（
mn
*/
m0）Acm-2K-2表面能级?
半导体表面存在悬挂键，有表面态。
?
表面态中载流子分布也可以用费米
能级表示它的填充水平。
?
平衡情况下表面和体内有统一的费
米能级。
?
在表面态密度很大的时，金属和半
导体接触的表面势取决于表面态的
费米能级位置和金属功函数无关。
镜象效应和隧道效应?
镜象效应
?
隧道效应平衡异质结能带图应用举例?
提高发射系数：
1
2
1020exp1pf
n
npDqV
D
jqpn
LLkT
?
?
?
?
?
?
=+?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
1020
12
np
pnLLkT
?
?
?
?
?
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?
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?
?
?
?
2
1
1
10
1expg
i
n
DE
n
p
NkT
?
?
=∝?
?
?
?
?
2
2
2
20
2expg
i
p
AE
n
n
NkT
?
?
=∝?
?
?
?
?
21exp
?
?
?
∝?
?
?
?
?
gg
n
pEE
j
jkTHEMT?
高电子迁移率晶体管?
?
迁移率高
低温工作重点内容?
E-k能带图（本征特性），E能带图（均匀半导体杂质缺陷能级），E-
x能带图（非均匀半导体，包括同质结、异质结等。
常见于半导体
器件中）
?
平衡态：
电子、空穴费米能级统一、水平。
?
势垒电容和扩散电容的表达式。
?
理想PN结伏安特性、成立的条件及实际非理想因素影响。
?
隧道击穿和雪崩击穿的机制及发生的条件。
?
隧道击穿和雪崩击穿的机制及发生的条件。
?
提高PN结二极管开关特性的途径。
?
金－半肖特基二极管的突出优点：
正向阈值电压低、没有非平衡载
流子储存效应（没有扩散电容）。
?
采用异质PN结提高发射系数的原理。
?
用二维电子气制造高电子迁移率晶体管的突出优点：
减少散射、可在低温下工作。
习题?
试用窄势垒模型推导出PN结的伏安特性：
?
以上结果成立的条件有那些？
对N+P
结上式可
以简化成？
）
（）（）（npnnnxJxJxJ+=?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
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?
?
?
?
?
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?
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+=1exp0
0Tk
qV
n
L
D
p
L
D
qB
f
p
n
n
n
p
p以简化成
？
?
如果N区足够厚，那么势垒边界非平衡空穴的
扩散电流密度应该和N区非平衡空穴的复合率
有关，试利用该关系计算扩散电流密度。
?
试比较PN结、金－半结、异质结。
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